EKSPERIMEN KE-4

EFEK FOTOLISTRIK 1

A. Tujuan

1. Menentukan pengaruh intensitas cahaya terhadap jumlah elektron foto (arus

listrik) yang dihasilkan.

2. Menentukan karakteristik phototube (photo sel).

3. Mengukur sensitivitas spesifik

B. Dasar Teori

Pada tahun 1905, Einstein menggunakan gagasan Planck tentang kuantisasi

energi untuk menjelaskan efek fotolistrik. Karya Einstein ini menandai perubahan

teori kuantum, sementara Planck melihat kuantisasi energi dalam teori radiasi benda

hitamnya sebagai piranti hitung, Einstein membuat saran yang berani bahwa

kuantisasi merupakan sifat dasar energi elektromagnetik. Tiga tahun kemudian

beliau menggunakan gagasan kuantisasi energi pada energi molekul untuk

menjelaskan teka-teki lain di bidang fisika. Perbedaan kalor spesifik yang dihitung

dari teorema ekipartisi dan kalor spesifik yang diamati secara percobaan pada

temperatur rendah.

Efek fotolistrik ditemukan oleh Hertz pada tahun 1887 dan telah dikaji oleh

Lenard pada tahun 1900. 

Gambar 1)

Efek fotolistrik adalah peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan suatu zat

(logam), bila permukaan logam tersebut disinari cahaya (foton) yang memiliki

energi lebih besar dari energi ambang (fungsi kerja) logam. Atau dapat di artikan

sebagai munculnya arus listrik atau lepasnya elektron yang bermuatan negatif dari

permukaan sebuah logam akibat permukaan logam tersebut disinari dengan berkas

cahaya yang mempunyai panjang gelombang atau frekuensi tertentu. Istilah lama

untuk efek fotolistrik adalah efek Hertz (yang saat ini tidak digunakan lagi).

Pada permulaan abad ke-20, serangkaian eksperimen menyatakan bahwa

elektron dipancarkan dari permukaan logam jika cahaya yang frekuensinya cukup

tinggi jatuh pada permukaan itu. Tabung yang divakumkan berisi dua elektrode

yang dihubungkan dengan rangkaian eksternal, dengan keping logam yang

permukannya mengalami radiasi dipakai sebagai anode. Sebagian dari foto-elektron

yang muncul dari permukaan yang mengalami radiasi mempunyai energi yang

cukup untuk mencapai ketode walaupun muatannya negatif, dan elektron serupa itu

membentuk arus yang dapat diukur oleh amperemeter dalam rangkaian itu. Ketika

potensial perintang V ditambah, lebih sedikit elektron yang mencapai ketode dan

arusnya menurun. Akhirnya, ketika V sama dengan atau melebihi suatu harga V0

yang besarmya dalam orde beberapa volt, tidak ada elektron yang mencapai katode

dan arusnya terhenti. Potensial ini disebut sebagai potensial pemberhenti (stopping

potential).

Terdapatnya efek fotolistrik adalah karena gelombang cahaya membawa energi,

dan sebagian energi yang diserap oleh logam dapat terkonsentrasi pada elektron

tertentu dan muncul kembali sebagai energi kinetik. Distribusi energi elektron yang

dipancarkan (yang disebut fotoelektron), tak bergantung dari intensitas cahaya.

Berkas cahaya yang kuat menghasilkan fotoelektron lebih banyak daripada berkas

yang lemah yang berfrekuensi sama, tetapi energi elektron rata-rata sama saja.

Energi fotoelektron bergantung pada frekuensi cahaya yang dipakai. Pada

frekuensi di bawah frekuensi kritis yang merupakan karakteristik dari masing-

masing logam, tidak terdapat elektron apapun yang dipancarkan. Di atas frekuensi

ambang ini fotoelektron mempunyai selang energi dari nol sampai suatu harga

maksimum tertentu, dan harga maksimum ini bertambah secara linear terhadap

frekuensi. Frekuensi yang lebih tinggi menghsilkan energi fotoelektron maksimum

yang lebih tinggi pula. Hubungan Kmax dan frekuensi mengandung tetapan

pembanding yang dapat dinyatakan dalam bentuk:

E=h=hc/

Persamaan

Persamaan diatas menyatakan bahwa sebuah foton mengangkut tenaga sebesar h

kedalam permukaan sebuah logam. Bagian dari tenaga ini ada yang digunakan untuk

melewatkan elektron dari permukaan logam. Energi selebihnya diberikan kepada

elektron dalam bentuk energi kinetik. Jika elektron tersebut tidak kehilangan energi

karena tumbukan internal ketika elektron tersebut melepaskan diri dari logam, maka

elektron akan menunjukkan semua kelebihan energi tersebut sebagai energi kinetik

elektron muncul keluar. Pada persamaan diatas, V0 menyatakan frekuensi ambang,

di bawah frekuensi tersebut tidak terdapat pancaran foto dan h menyatakan tetapan

Planc (h = 6,626 x 10-34 J.s).

Hasil percobaan Lennard dan kawan-kawan menunjukkan bahwa energi kinetik

foto elektron tidak bergantung pada intensitas cahaya datang yang digunakan.

Perubahan intensitas cahaya yang datang pada foto sel hanya berpengaruh terhadap

jumlah elektron foto yang dihasilkan. Makin tinggi intensitas cahaya maka makin

banyak jumlah elektron foto yang dihasilkan. Energi kinetik rata-rata elektron

hanya bergantung pada frekuensi foton datang.

C. Alat dan Bahan

1. Efek fotolistrik demonstrator (Transmitter dan Receiver) 1 buah

2. Voltmeter DC 1 buah

3. Mikroamperemeter 1 buah

4. Filter Cahaya berbagai warna 4 buah

5. Lampu 1 buah

6. Variabel Slit (Kisi) 5 buah

7. Penggaris 1 buah

D. Prosedur Eksperimen

Percobaan I : Menentukan pengaruh intensitas cahaya terhadap jumlah elektron

foto (arus listrik) yang dihasilkan

1. Mengatur beda potensial antara katoda dan anoda pada photo sel pada 80 volt

dan Amperemeter pada posisi nol.

2. Mengukur jarak antara sumber cahaya (lampu) dan photo sel.

3. Menyalakan lampu kemudian memperhatikan dan membaca arus yang terukur.

4. Mengubah jarak antara lampu dan photo sel (semakin dekat) dan mengukur

jaraknya, kemudian memperhatikan arus yang terukur sedangkan lebar slit

dibuat tetap.

5. Mengulangi langkah ke-4 hingga diperoleh minimal 5 data.

6. Mengubah lebar slit sedangkan jarak antara lampu dan photo sel dibuat tetap.

7. Mengulangi langkah ke-6 hingga diperoleh minimal 5 data.

Percobaan II :Menentukan karakteristik phototube (photo sel)

1. Mengatur posisi antara photo sel dengan sumber cahaya dan buat jarak yang

tetap.

2. Mengatur beda potensial yang bervariasi dari 0-80 volt dan memperhatikan arus

yang terukur untuk setiap beda potensial.

3. Mengulangi langkah ke-2 untuk lebar slit yang berbeda hingga masing-masing

diperoleh 5 data.

Percobaan III :Mengukur sensitivitas spesifik

1. Mengatur beda potensial dan jarak lampu dengan photo sel dibuat tetap.

2. Mengubah panjang gelombang foton dengan cara memasang filter berwarna

pada filter stand di phototube dan memperhatikan arus yang terukur.

3. Mengulangi langkah ke-2 dengan mengganti warna filter.

E. Data Hasil Eksperimen

l= panjang slit

d = lebar slit

D l

1 mm 2.5 cm

2 mm 1.65 cm

3 mm 1.70 cm

4 mm 1.70 cm

5 mm 1.75 cm

Percobaan I : Menentukan pengaruh intensitas cahaya terhadap jumlah elektron

foto (arus listrik) yang dihasilkan

Beda Potensial

V (volt)

Lebar slit

d (mm)

Jarak sumber cahaya

dengan photo sel

r ± 0.05 (cm)

Arus

i ±0.5 (mA)

80 5

50 11.5

45 15.5

40 21

35 27

30 28

25 28

Beda Potensial

V (volt)

Jarak sumber cahaya

dengan photo sel

r (cm)

Lebar slit

d (mm)

Arus

i ± 0.5 (mA)

80 50

1 0.5

2 1.5

3 7

4 15.5

5 17.5

Percobaan II :Menentukan karakteristik phototube (photo sel)

Jarak sumber cahaya

dengan photo sel

r (cm)

Lebar slit

d (mm)

Beda Potensial

V (volt)

Arus

i ± 0.5 (mA)

50

5

40 3.5

50 5

60 7

70 9.5

80 13

4 40 4

50 6

60 8

70 11.5

80 16

3

40 1.5

50 2.5

60 4

70 5.5

80 8

Percobaan III :Mengukur sensitivitas spesifik

Lebar slit

d (mm)

Beda Potensial

V (volt)

Jarak sumber cahaya

dengan photo sel

r (cm)

WarnaArus

i (mA)

5 80 50

Bening 15.0Merah 13.5Kuning 13.0

Biru 12.5F. Pengolahan Data

d l

10-3 m 2.5 x 10-2 m

2 x 10-3 m 1.65 x 10-2 m

3 x 10-3 m 1.70 x 10-2 m

4 x 10-3 m 1.70 x 10-2 m

5 x 10-3 m 1.75 x 10-2 m

Percobaan I : Menentukan pengaruh intensitas cahaya terhadap jumlah elektron

foto (arus listrik) yang dihasilkan

Jarak sumber cahaya dengan photosel di ubah-ubah

I 1

r2V

(volt)

d

(m)

r

(m)

i

(A)

r2

(m2)

I

(W/m2)

80 5 x 10-3

0.50 0.0115 0.250 4.000

0.45 0.0155 0.203 4.938

0.40 0.021 0.160 6.250

0.35 0.027 0.123 8.163

0.30 0.028 0.090 11.111

0.25 0.028 0.063 16.000

2 4 6 8 10 12 14 16 180

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

Grafik Arus terhadap Intensitas

Y-Values

Intensitas (W/m2)

Arus

(A)

Lebar slit diubah-ubah

I = PA

= Pld

V

(volt)

r

(m)

d

(m)

l

(m)

i

(A)

P

(W)

A

(m2)

I

(W/m2)

80 0.5

10-3 2.5 x 10-2 0.5 x 10-3

60

2.5 x 10-5 2.4 x 106

2 x 10-3 1.65 x 10-2 1.5 x 10-33.3 x 10-5 1.818 x 106

3 x 10-3 1.70 x 10-2 7 x 10-35.1 x 10-5 1.176 x 106

4 x 10-3 1.70 x 10-2 15.5 x 10-36.8 x 10-5 0.882 x 106

5 x 10-3 1.75 x 10-2 17.5 x 10-38.75 x 10-5 0.686 x 106

Percobaan II : Menentukan

karakteristik phototube (photo

sel)

r

(m)

d

(m)

V

(volt)

i

(A)

0.5

5 x 10-3

40 3.5 x 10-3

50 5 x 10-3

60 7 x 10-3

70 9.5 x 10-3

80 13 x 10-3

4 x 10-3

40 4 x 10-3

50 6 x 10-3

60 8 x 10-3

70 11.5 x 10-3

80 16 x 10-3

3 x 10-3

40 1.5 x 10-3

50 2.5 x 10-3

60 4 x 10-3

70 5.5 x 10-3

80 8 x 10-3

40 50 60 70 8005

10152025303540

Grafik Arus Terhadap Beda Potensial

d = 0.003 md = 0.004 md = 0.005 m

Beda Potensial (volt)

Arus

(A)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Grafik Arus terhadap Intensitas

Y-Values

Intensitas (W/m2)Ar

us (A

)

Percobaan III : Mengukur sensitivitas spesifik

d(m)

V(volt)

r(m)

WarnaArus

i (A)

𝛌(nm)

𝛌(m)

5 x 10-3 80 0.5

Bening 15.0 x 10-3 395 395×10−9

Biru 12.5 x 10-3 465 465×10−9

Kuning 13.0 x 10-3 530 530×10−9

Merah 13.5 x 10-3 665 665×10−9

300 350 400 450 500 550 600 650 70010

12

14

16

Grafik Arus (i) Terhadap Panjang Gelombang (λ)

Y-Values

λ x 10-9 (m)

i (A)

G. Analisis

Pada percobaan untuk menentukan pengaruh intenstas cahaya terhadap jumlah

elektron foto (arus listrik) yang dihasilkan, dilakukan dua cara yaitu dengan

membuat lebar slit tetap sedangkan jarak sumber cahaya dengan photo sel diubah-

ubah dan dengan membuat jarak sumber cahaya dengan photosel tetap sedangkan

lebar slit diubah-ubah.

Pada grafik pertama (jarak sumber cahaya dengan photo sel diubah-ubah), dapat

terlihat bahwa bahwa semakin jauh jarak sumber cahaya dengan photosel maka kuat

arus yang terbaca pada amperemeter akan semakin kecil. Semakin jauh jarak sumber

cahaya dengan photosel menunjukkan bahwa intensitas cahaya tersebut semakin

kecil sesuai dengan hubungan I 1

r2 . Pada grafik kedua (lebar slit diubah-ubah),

dapat terlihat bahwa semakin besar luas slit maka intensitasnya semakin kecil sesuai

dengan persamaan I=PA

.

Pada percobaan kedua untuk menentukan karakteristik phototube (photo sel),

grafik diatas memperlihatkan bahwa semakin besar beda potensial yang digunakan

maka arus yang terbaca pada amperemeter akan semakin besar.

Beda potensial yang diberikan pada alat membantu elektron foto yang telah

terlepas dari plat foto sel bergerak kebagian lain dari alat tersebut(plat lainnya). Hal

ini akan dideteksi sebagai sebuah arus oleh amperemeter. Jika beda potensial cukup

besar, maka arus fotolistrik mencapai nilai batas tertentu yang mana semua foto

elektron dipindahkan. Beberapa diatara elektron-elektron akan mencapai plat

lainnya walaupun medan listrik menentang pergerakan elektron.

Pada percobaan kedua ini ternyata semakin besar beda potensial yang diberikan

tidak menyebabkan arus bergerak mendekati nol namun berlaku sebaliknya. Ini

menunjukan bahwa polaritas dari beda potensial yang kami gunakan menunjukkan

medan listrik yang berlawanan dengan gerak elektron.

Pada percobaaan ketiga untuk mengukur sensitivitas spesifik ini, kami

menggunakan empat filter yaitu merah, kuning, biru dan bening. Grafik diatas

memperlihatkan bahwa filter yang berupa plastik mika dengan warna-warna diatas

berkaitan dengan panjang gelombang. Merah memilki panjang gelombang lebih

besar dibandingkan warna kuning, biru dan bening. Panjang gelombang sangat

mempengaruhi terhadap frekuensi, frekuensi berkaitan dengan energi, semakin besar

frekuensi maka energi kinetik rata-rata semakin besar. Akan tetapi pada grafik diatas

terlihat bahwa terjadi penyimpangan yang cukup jauh, hal itu dapat dijelasakan

karena ketebalan setiap filter yang digunakan berbeda sehingga hal itu

mempengaruhi pada arus yang mengalir.

Terjadinya penyimpangan-penyimpangan hasil yang diperoleh dalam percobaan

ini karena adanya kemungkinan kekurang tepatan dalam meletakkan slit pada alat

percobaan karena jika slit diletakkan tidak pas maka arus yang terbaca pun akan

berubah-ubah.

H. Kesimpulan

Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa perubahan

intensitas cahaya yang datang pada photosel hanya berpengaruh pada jumlah

electron foto yang dihasilkan. Makin tinggi intensitas maka makin banyak jumlah

electron foto yang dihasilkan (arus semakin besar). Energi Kinetik rata-rata electron

foto hanya bergantung pada frekuensi datang.

I. Daftar Pustaka

Beiser A. 1987. Konsep Fisika Modern, Edisi Keempat (Terjemahan DR. The Houw

Liong). Erlangga: Jakarta.

Krane, Kenneth S. 1992. Fisika Modern. Alih bahasa : Hans J. Wospakrik dan

SofiaNiksolihin. Jakarta : Penerbit Universitas Indonesia.

Tim Dosen Laboratorium Fisika II. 2014, Modul Eksperimen Fisika II, Jurusan

Pendidikan Fisika Universitas Pendidikan Indonesia, Bandung.

J. Lampiran

Alat yang digunakan saat percobaan